(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外形面に軌道溝を形成した柱状ガイド体と、内形面に前記柱状ガイド体の軌道溝に対向する軌道溝を形成したベアリングブロックと、前記柱状ガイド体の軌道溝と前記ベアリングブロックの軌道溝とで形成される負荷路と、該負荷路を転動する複数のボールとを備えた直動装置において、
前記ボールと、前記柱状ガイド体の軌道溝および前記ベアリングブロックの軌道溝とを接触角を０度として２点接触させると共に、前記各軌道溝の溝半径をＲとし、前記ボールの直径をＤａとしたときに、曲率比Ｒ／Ｄａを０．７超、０．９以下としたことを特徴とする直動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業機械等の機械装置の送り機構等に用いられるボールねじ装置やリニアガイド装置等の直動装置に関し、特に摩擦抵抗を低減した直動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の直動装置としてのリニアガイド装置は、外形面にゴシックアーク形状で形成されたレール軌道溝を有するレールと、内形面にレール軌道溝に対向するゴシックアーク形状で形成されたスライダ軌道溝を有するスライダと、レール軌道溝とスライダ軌道溝とで形成される負荷路を転動する複数のボールとを備え、このボールとレール軌道溝およびスライダ軌道溝とを４点接触させ、従来はそれぞれ４５度に設定されていた接触角を、レール軌道溝およびスライダ軌道溝のいずれか一方を４５度未満に設定すると共に、他方を４５度より大きく設定してボールの脱落を防止すると共にレールの幅方向および高さ方向の剛性の均一化を図っている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
一方、機械装置の送り機構に用いられるボールねじ装置やリニアガイド装置等の直動装置の摩擦抵抗を低減させる場合には、カムフォロアを用いたものや、図９に示す２つの平面を組合せたＶ字溝１００にボール１０１を４点で接触させるもの、図１０に示す矩形断面の溝の角部に設けられた円柱状の線状部材１０２にボール１０１を４点で接触させるもの等が一般的に用いられている。
【特許文献１】特開２００４−５２７９２号公報（第２頁段落０００３、第４頁段落００１１−第６頁段落００２５、第２図、第４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した一般的な摩擦抵抗を低減させる技術においては、カムフォロア等の回転軸受を利用した直動装置の場合は、装置自体が大型化するという問題がある。
また、Ｖ字溝や線状部材を用いたものは、摩擦抵抗を低減させることはできるものの、接触楕円が極端に小さくなり、剛性が不足するという問題がある。
この剛性を高めるために、ボールの半径より大きい半径を有する円弧をＶ字状に配置したゴシックアーク形状を柱状ガイド体の軌道溝であるレール軌道溝やベアリングブロックの軌道溝であるスライダ軌道溝に用いることが行われている。
【０００５】
ゴシックアーク形状の軌道溝を用いた従来の特許文献１の技術においては、レール軌道溝およびスライダ軌道溝のいずれか一方の接触角（ボールの自転軸に直交する方向からの角度をいう。）を４５度未満に設定すると共に、他方の接触角を４５度より大きく設定しているため、接触角の相違に起因して、ボールとレール軌道溝およびスライダ軌道溝との接触点における自転軸からの半径が異なり、両方の接触点で差動滑り（ボールと軌道溝との接触部における自転による周方向速度と、ボール自体の移動速度（公転速度を含む。）との差に基づく滑りをいう。）が生じ、差動滑りによる動摩擦力が増加して摩擦抵抗が増大するという問題がある。
【０００６】
このことは、ねじ軸とナットとをボールを介して螺合させ、ねじ軸を回転させてナットを直線的に移動させる直動装置としてのボールねじ装置における摩擦抵抗の場合も同様である。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、直動装置における摩擦抵抗を低減する手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するために、外形面に軌道溝を形成した柱状ガイド体と、内形面に前記柱状ガイド体の軌道溝に対向する軌道溝を形成したベアリングブロックと、前記柱状ガイド体の軌道溝と前記ベアリングブロックの軌道溝とで形成される負荷路と、該負荷路を転動する複数のボールとを備えた直動装置において、
前記ボールと、前記柱状ガイド体の軌道溝および前記ベアリングブロックの軌道溝とを接触角を０度として２点接触させると共に、前記各軌道溝の溝半径をＲとし、前記ボールの直径をＤａとしたときに、曲率比Ｒ／Ｄａを０．７超、０．９以下としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
これにより、本発明は、ボールの自転軸Ｃｊと直交する方向の接触円半径差ΔＷを小さくすることができ、差動滑りを抑制して直動装置の摩擦抵抗を低減することができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、図面を参照して本発明による直動装置の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は実施例１のリニアガイド装置を示す斜視図、図２は実施例１の負荷路を示す説明図である。
図１において、１は直動装置としてのリニアガイド装置である。
２は直動装置の柱状ガイド体としてのレールであり、合金鋼等の鋼材で製作された長尺の柱状部材であって、そのレール２の上面（レール上面２ａという。）には機械装置の基台等にレール２を設置するための段付ボルト孔であるレール取付孔３が所定のピッチで複数設けられている。
【００１１】
４は柱状ガイド体の軌道溝としてのレール軌道溝であり、レール２の外形面としての両方のレール側面の長手方向に沿って形成されたゴシックアーク形状の溝である。
５は直動装置のベアリングブロックとしてのスライダであり、合金鋼等の鋼材で製作された略コの字状の断面形状を有する鞍状部材であって、そのスライダ上面５ａには取付ねじ穴６が設けられており、この取付ねじ穴６を用いて機械装置の移動台等がボルト等により締結される。
【００１２】
スライダ５の両方の袖壁５ｂには、その内側である内形面にレール軌道溝４に対向するゴシックアーク形状の溝であるベアリングブロックの軌道溝としてのスライダ軌道溝７が設けられ、その厚肉部にはスライダ５の移動方向（スライダ移動方向という。）にスライダ５を貫通する直動装置の転動体としてのボール８の直径より大きい貫通孔である戻り路９がそれぞれのスライダ軌道溝７に対応して設けられている。
【００１３】
上記のスライダ軌道溝７とこれに対向するレール軌道溝４とで図２に示すリニアガイド装置１の負荷路１０が形成され、負荷路１０を転動する複数のボール８がレール２とスライダ５を嵌合させる。
本実施例のボール８は合金鋼等の鋼材で製作された球体であり、負荷路１０を形成するレール軌道溝４とスライダ軌道溝７とのゴシックアーク形状に内接する内接円の直径より僅かに大きい外径を有するオーバーサイズボールであって、それぞれのゴシックアーク形状に２点、合計４点で接触し、レール軌道溝４とスライダ軌道溝７との間に予圧を付与する機能を有している。
【００１４】
１２はエンドキャップであり、金属材料や樹脂材料等で製作され、スライダ５のスライダ移動方向の前後端に配置される。
１３はエンドキャップ１２に設けられた方向転換路であり、負荷路１０と戻り路９とをそれぞれ接続するための円形断面形状を有する湾曲した通路であって、ボール８を案内してその循環方向を転向させる機能を有している。
【００１５】
１４はサイドシールであり、合金鋼等の板材で製作された芯金とこの芯金のレール２側に設けられた天然ゴムや合成ゴム等の弾性材料で製作されたシール体１５とにより構成されてエンドキャップ１２の外側の端面に配置され、ボルト等によりエンドキャップ１２と共にスライダ５に取付けられており、シール体１５の先端のリップ部がレール２の外周面に摺接して接触式シールとして機能する。
【００１６】
１６はグリースニップルであり、エンドキャップ１２のスライダ５側の端面に形成された図示しない潤滑剤供給溝に接続し、方向転換路１３に潤滑剤としてのグリースを補充するときに用いられる。
上記の負荷路１０の両端部は、エンドキャップ１２の方向転換路１３とスライダ５の戻り路９とで形成される連通路によりそれぞれ連通されてリニアガイド装置１の循環路が形成され、この循環路には複数のボール８と所定の量の潤滑剤、例えばグリースが封入され、レール軌道溝４とスライダ軌道溝７とがオーバーサイズボールであるボール８を介して４点接触の状態で嵌合し、スライダ５の移動に伴ってボール８が循環路を循環し、負荷路１０を転動するボール８がスライダ５に加えられた荷重を往復動自在に支持し、スライダ５がレール２の長手方向に沿った直線往復移動可能に支持され、リニアガイド装置１が直動装置として機能する。
【００１７】
上記の構成の作用について説明する。
本実施例の負荷路１０は、図２に示すようにゴシックアーク形状のレール軌道溝４とゴシックアーク形状のスライダ軌道溝７との間に、オーバーサイズボールであるボール８が、各ゴシックアーク形状を構成する溝半径Ｒの各円弧にそれぞれ４５度未満（図示の例では１５度）の接触角αで４点接触の状態で配置され、それぞれの接触部には接触楕円が形成される。
【００１８】
この場合のボール８の直径Ｄａに対する溝半径Ｒの曲率比Ｒ／Ｄａは、０．５４に設定されている。
このように、接触角αを４５度未満に設定すれば、図３に示す同じ曲率比Ｒ／Ｄａの接触角α＝４５度の場合に比べて、レール軌道溝４およびスライダ軌道溝７とボール８との接触部における、ボール８の自転軸Ｃｊと直交する方向のボール８の内側接触円（図２に示す中心側の破線）の半径と外側接触円の半径との差（接触円半径差ΔＷという。）が小さくなり、差動滑りの範囲が減少して動摩擦力が減少する。
【００１９】
すなわち、レール軌道溝４およびスライダ軌道溝７とボール８とのそれぞれの接触角αが同一の場合は、その接触点Ｐにおける周方向速度Ｖは、ボール８の自転軸Ｃｊ周りの角速度をωとすると、それぞれ
Ｖ＝ω（Ｄａ・ｃｏｓα）／２    ・・・・・・・・・・・・（１）
となり、ボール８自体の移動速度と同等になるので、差動滑りは原則的に「０」、つまり差動滑りがない状態になる。
【００２０】
リニアガイド装置１等の直動装置は、通常予圧が付与され、荷重を支持しながら移動するので、ボール８のレール軌道溝４およびスライダ軌道溝７との接触点Ｐを中心にその近傍で弾性変形が生じ、ボール８のレール軌道溝４およびスライダ軌道溝７との接触部が増加して接触楕円を形成し、これに伴って接触円半径差ΔＷが生ずる。
このとき、接触楕円内の各部位における自転軸Ｃｊからの半径と接触点Ｐにおける半径との差は、図２に破線で示す接触楕円の両側の縁に向かってが徐々に拡大し、ボール８自体の移動速度および自転の角速度ωは変化しないので、この半径差に基づく差動滑りが生じる。
【００２１】
このため、接触円半径差ΔＷが小さくなると、差動滑りによる動摩擦力が低減して摩擦抵抗が減少すると共に、差動滑りに伴う発熱を低減することができる。
図４は、接触角αを変化させた場合の動摩擦力の変化を示すグラフである。
図４において、横軸は接触角αを示し、縦軸は接触角α＝４５度のときの動摩擦力を１００％とした動摩擦比を示す。なお図４は曲率比Ｒ／Ｄａ＝０．５４の場合を示したものである。
【００２２】
図４に示すように、接触角αを４５度未満にすれば、４５度以上の場合に比べて上記の理由により動摩擦力が低下することが判る。
このように、動摩擦力を低減するためには接触円半径差ΔＷを小さくすることが重要であり、接触円半径差ΔＷを小さくする他の方法として曲率比Ｒ／Ｄａを大きく設定する方法がある。
【００２３】
つまり、ボール８の直径に対する溝半径Ｒを大きくして、接触楕円自体を小さくする方法である。
図５は、曲率比Ｒ／Ｄａを変化させた場合の動摩擦力の変化を示すグラフである。
図５において、横軸は曲率比Ｒ／Ｄａを示し、縦軸は曲率比Ｒ／Ｄａ＝０．５４のときの動摩擦力を１００％とした動摩擦比を示す。なお図５は接触角α＝４５度の場合を示したものである。
【００２４】
図５に示すように、曲率比Ｒ／Ｄａを０．６以上にすれば、曲率比Ｒ／Ｄａ＝０．５４の場合に比べて５０％以上動摩擦力が低下することが判る。
この場合に、曲率比Ｒ／Ｄａは０．９以下に設定することが望ましい。曲率比Ｒ／Ｄａがこれより大きくなると接触楕円が小さくなりすぎ、剛性が低下しすぎるからである。
本実施例のように、接触角αを４５度未満として接触円半径差ΔＷを小さくすれば、ボール８の自転軸Ｃｊの方向から負荷される荷重に対する剛性は弱くなるが、その摩擦抵抗を減少させることができる。
【００２５】
また、曲率比Ｒ／Ｄａを０．６以上として接触楕円を小さくすれば、負荷される荷重に対する剛性は弱くなるが、接触円半径差ΔＷを小さくすることができ、摩擦抵抗を大幅に減少させることができる。
これらのことは、比較的軽荷重で、低摩擦抵抗が要求される用途に用いられるリニアガイド装置１の場合に特に有効である。
【００２６】
以上説明したように、本実施例では、ボールとレール軌道溝およびスライダ軌道溝との接触角αを、それぞれ４５度未満としたことによって、接触円半径差ΔＷを小さくすることができ、差動滑りを抑制してリニアガイド装置の摩擦抵抗を低減することができる。
また、曲率比Ｒ／Ｄａを０．６以上としたことによって、接触楕円自体を小さくして接触円半径差ΔＷを小さくすることができ、差動滑りを抑制してリニアガイド装置の摩擦抵抗を大幅に低減することができる。
【００２７】
なお、本実施例においては、スライダとレールとをオーバーサイズボールにより４点接触で嵌合させるリニアガイド装置を例に説明したが、スライダとレールとを通常のボールにより２点接触で嵌合させる形式のリニアガイド装置の場合も同様である。
図６は２点接触の場合の負荷路を示す説明図である。
図６（ａ）は曲率比Ｒ／Ｄａ＝０．５４の場合、図６（ｂ）は曲率比Ｒ／Ｄａ＝０．７の場合を示す。
【００２８】
２点接触の場合は、ボール８と、レール軌道溝４およびスライダ軌道溝７とのそれぞれの接触点Ｐを結んだ線の、ボール８の中心を通る直交方向が自動的に自転軸Ｃｊとなるので、本実施例の定義による接触角αは存在しない（強いていえば、接触角α＝０度）。
この場合には、曲率比Ｒ／Ｄａを上記と同様に０．６以上にすることによって、接触楕円自体を小さくして接触円半径差ΔＷを小さくすることができ、差動滑りを抑制してリニアガイド装置の摩擦抵抗を大幅に低減することができる。
【実施例２】
【００２９】
図７は実施例１のボールねじ装置を示す断面図、図８は実施例２の負荷路を示す説明図である。
なお、上記実施例１と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
図７において、２１は直動装置としてのボールねじ装置である。
２２は直動装置の柱状ガイド体としてのボール軸であり、合金鋼等の鋼材で製作された柱状部材であって、その外形面としての外周面にはゴシックアーク形状の柱状ガイド体の軌道溝としての軸軌道溝２３が所定のリードで螺旋状に形成されている。
【００３０】
２５は直動装置のベアリングブロックとしてのボールナットであり、合金鋼等の鋼材で製作された円筒状部材であって、その内形面としての内周面には軸軌道溝２３と対向するゴシックアーク形状のベアリングブロックの軌道溝としてのナット軌道溝２６が軸軌道溝２３と同じリードで形成されている。
２７はフランジ部であり、ボールナット２５の外周部に設けられ、フランジ部２７に設けられた図示しないボルト穴により機械装置の移動体にボルト等で固定される。
【００３１】
上記のナット軌道溝２６とこれに対向する軸軌道溝２３とで図８に示すボールねじ装置２１の負荷路２８が形成され、負荷路２８を転動するボール８がボール軸２２とボールナット２５を螺合させる。
本実施例のボール８は、実施例１と同様のオーバーサイズボールであり、負荷路２８を形成する軸軌道溝２３とナット軌道溝２６とのそれぞれのゴシックアーク形状に４点で接触し、軸軌道溝２３とナット軌道溝２６との間に予圧を付与する機能を有している。
【００３２】
上記の負荷路２８の両端部は、図示しないリターンチューブ等の連通路により連通されてボールねじ装置２１の循環路が形成され、この循環路には、複数のボール８と所定の量の潤滑剤が封入され、軸軌道溝２３とナット軌道溝２６とがオーバーサイズボールであるボール８を介して４点接触の状態で螺合し、ボール軸２２の回転に伴なってボール８が循環路を循環し、負荷路２８を転動するボール８がボールナット２５に加えられた荷重を往復動自在に支持してボールナット２５がボール軸２２の長手方向に沿った直線往復移動可能に支持される。これによりボール軸２２の回転運動がボールナット２５の直線運動に変換され、ボールねじ装置２１が直動装置として機能する。
【００３３】
上記の構成の作用について説明する。
本実施例の負荷路２８は、図８に示すようにゴシックアーク形状の軸軌道溝２３とゴシックアーク形状のナット軌道溝２６との間に、オーバーサイズボールであるボール８が、各ゴシックアーク形状を構成する溝半径Ｒの各円弧にそれぞれ４５度未満（図示の例では１５度）の接触角αで４点接触の状態で配置される。
【００３４】
この場合のボール８の直径Ｄａに対する溝半径Ｒの曲率比Ｒ／Ｄａは、０．５４に設定されている。またボール８の自転軸Ｃｊは、ボール軸２２の軸芯と平行な方向になる。
本実施例の接触角αを変化させた場合の接触円半径差ΔＷによる作用、および曲率比Ｒ／Ｄａを変化させた場合の接触楕円による作用は、上記実施例１と同様であるのでその説明を省略する。
【００３５】
本実施例のボールねじ装置２１の場合においても、接触角αを４５度未満として接触円半径差ΔＷを小さくすれば、ボール８の自転軸Ｃｊの方向から負荷される荷重に対する剛性は弱くなるが、その摩擦抵抗を減少させることができる。
また、曲率比Ｒ／Ｄａを０．６以上として接触楕円を小さくすれば、負荷される荷重に対する剛性は弱くなるが、接触円半径差ΔＷを小さくすることができ、摩擦抵抗を大幅に減少させることができる。
【００３６】
これらのことは、比較的軽荷重で、低摩擦抵抗が要求される用途に用いられるボールねじ装置２１の場合に特に有効である。
以上説明したように、本実施例では、直動装置としてのボールねじ装置においても、上記実施例１と同様の効果を得ることができる。
なお、本実施例においては、ボールナットとボール軸とをオーバーサイズボールにより４点接触で螺合させるボールねじ装置を例に説明したが、ボールナットとボール軸とを通常のボールにより２点接触で螺合させる形式のボールねじ装置の場合も同様である。この場合においても、上記実施例１と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
また、本実施例においては、ボールねじ装置のボール軸を回転させてボールナットを軸方向に移動させる場合を例に説明したが、ボールナットを回転させてボール軸を軸方向に移動させる形式のボールねじ装置に本発明を適用しても同様の効果を得ることができる。
更に、本実施例においては、リターンチューブを連通路としてボールを循環させるチューブ式の循環方式を用いたボールねじ装置を例に説明したが、連通路をこま式やエンドキャップ式、デフレクタ式等とした循環方式のボールねじ装置に本発明を適用しても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施例１のリニアガイド装置を示す斜視図
【図２】実施例１の負荷路を示す説明図
【図３】接触角α＝４５度の場合の負荷路を示す説明図
【図４】実施例１の負荷路における接触角αを変化させた場合の動摩擦力の変化を示すグラフ
【図５】実施例１の負荷路における曲率比Ｒ／Ｄａを変化させた場合の動摩擦力の変化を示すグラフ
【図６】実施例１の２点接触の場合の負荷路を示す説明図
【図７】実施例２のボールねじ装置を示す断面図
【図８】実施例２の負荷路を示す説明図
【図９】Ｖ字溝を用いた直動装置の負荷路を示す説明図
【図１０】線状部材を用いた直動装置の負荷路を示す説明図
【符号の説明】
【００３９】
１    リニアガイド装置
２    レール
２ａ  レール上面
３    レール取付孔
４    レール軌道溝
５    スライダ
５ａ  スライダ上面
５ｂ  袖壁
６    取付ねじ穴
７    スライダ軌道溝
８、１０１  ボール
９    戻り路
１０、２８  負荷路
１２  エンドキャップ
１３  方向転換路
１４  サイドシール
１５  シール体
１６  グリースニップル
２１  ボールねじ装置
２２  ボール軸
２３  軸軌道溝
２５  ボールナット
２６  ナット軌道溝
２７  フランジ部
１００  Ｖ字溝
１０２  線状部材
【図１】
0005130841.tif 000002
【図２】
0005130841.tif 000003
【図３】
0005130841.tif 000004
【図４】
0005130841.tif 000005
【図５】
0005130841.tif 000006
【図６】
0005130841.tif 000007
【図７】
0005130841.tif 000008
【図８】
0005130841.tif 000009
【図９】
0005130841.tif 000010
【図１０】
0005130841.tif 000011